[2020/Nr 4] Hydrodynamika i naprężenia mechaniczne działające na postać leku w farmakopealnym i niekompendialnym badaniu uwalniania

(1)

Hydrodynamika i naprężenia mechaniczne działające na postać leku w farmakopealnym i niekompendialnym badaniu uwalniania

Marcela Wiater

¹

, Dagmara Hoc

¹

, Jadwiga Paszkowska

¹

, Grzegorz Garbacz

¹

1 Physiolution Polska

Farmacja Polska, ISSN 0014-8261 (print); ISSN 2544-8552 (on-line)

Hydrodynamics and mechanical stresses in pharmacopoeial and noncompendial dissolution testing

The first and an essential step of medication’s path inside the human body is a dissolution of an active pharmaceutical ingridient. A dissolution of oral dosage forms occurs as a result of physicochemical and mechanical stresses which are found in gastrointestinal tract. This results in dissolution of the API, which becomes ready for the next step - absorption. In recent years, diversity and variability of digestive tract parameters has been understood better due to the advances in the research methods that allowed

quantification of forces, mechanical stresses and pH gradients acting therein. Dissolution tests are conducted in order to determine the impact of biorelevant factors on the dosage form. These tests are a basic tool for the preclinical prediction of formulations behaviour in gastrointestinal tract, as well as for the quality control and to ensure formulations invariability after technological alterations in production. Pharmacopeia describes the standard procedure of dissolution tests. However, in the light of the research of actual conditions occurring in gastrointestinal tract the compendial methods appear to not fully reflect the hydrodynamic and mechanical stresses. This results in the lack of discriminatory power of pharmacopoeial dissolution tests, whereas differences between formulations occur in vivo.

To face the need, simulators for the whole or partial gastrointestinal tract are constructed. These are advanced devices that enable the determination of the impact of the pH gradient, mechanical stresses and forces,

enzymes secretion and many others, on the dosage form. The operation of a number of those simulators successfully predicts the behaviour of medication in vivo, which is an indispensable support during the formulation development. In the article there are described the mechanical and

hydrodynamic gastrointestinal stresses, hydrodynamics of the most popular pharmacopoeial apparatus and non compendial gastrointestinal simulators, with regard to their ability to mimic biorelevant hydrodynamics.

Keywords: dissolution, gastrointestinal tract, hydrodynamics, mechanical stress, simulation.

Adres do korespondencji

Marcela Wiater, Physiolution Polska, ul. Piłsudskiego 74, 50–020 Wrocław, e-mail: m.wiater@physiolution.pl

Źródła finansowania

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, program InnoNeuroPharm POIR.01.02.00-00-0011/17

Konflikt interesów:

Nie istnieje konflikt interesów.

Otrzymano: 2020.04.21 Zaakceptowano: 2020.06.04 Opublikowano on-line: 2020.06.12

DOI

10.32383/farmpol/123813

ORCID

Marcela Wiater (ORCID iD: 0000-0002-6865-5471) Dagmara Hoc (ORCID iD: 0000-0002-7681-1243) Jadwiga Paszkowska (ORCID iD: 0000-0003-1230-8128) Grzegorz Garbacz (ORCID iD: 0000-0003-4511-0329)

Copyright

To jest artykuł o otwartym dostępie, na licencji CC BY NC

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

(2)

Wprowadzenie

Doustna postać leku jest aktualnie najbardziej popularną formą aplikacji substancji lecz- niczych. Do głównych zalet tej formy prepa- ratów należy łatwość jej zastosowania wśród pacjentów, co przekłada się na skuteczność far- makoterapii, powszechność rozwiązań techno- logicznych, koniecznych do jej wyprodukowa- nia i związane z tym niskie nakłady finansowe.

Aby w pełni wykorzystać potencjał doustnej postaci leku i zaprojektować skuteczną formu- lację, niezbędne jest całościowe zrozumienie tej drogi aplikacji. Wiąże się to z dokładnym pozna- niem fizjologii przewodu pokarmowego i czyn- ników, jakie oddziałują w nim na farmaceutyk.

W licznych pracach udowodniono, że na uwol- nienie leku w przewodzie pokarmowym znaczący wpływ mają nie tylko gradienty pH w kolejnych fragmentach układu, ale także obciążenia mechaniczne działające na lek, wynikające z perystaltyki żołądka i jelit [1–4]. Istotny jest rodzaj tych naprę- żeń – zwykle zgniatanie lub ścinanie – czas trwa- nia oraz siły przez nie generowane i wpływające na postać leku. Powiązaną grupą czynników działa- jących na lek w układzie pokarmowym są wszystkie parametry, które można określić zbiorczym mianem hydrodynamiki medium, czyli stopień turbulencji przepływu, lepkość i gęstość medium oraz jego prędkość [5–11]. Uwarunkowania te przez wielu badaczy są niedoceniane, zwłaszcza podczas rutynowych badań uwalniania, istnieje jednak duża grupa formulacji szczególnie podatnych na te właściwości. Podczas badań formulacyjnych kluczowe jest przewidzenie zachowania postaci leku pod wpływem tych czynników i odpowiednie poprowadzenie prac tak, aby preparat spełniał określone wymagania w późniejszych badaniach klinicznych. W tym celu znacznym ułatwieniem może być odpowiednie zasymulowanie parame- trów przewodu pokarmowego w warunkach labo- ratoryjnych, czemu służą metody i aparaty farm- kopealne oraz niekompendialne. W niniejszej pracy opisano różnorodność parametrów mechanicznych i hydrodynamicznych, które można w nich odtwo- rzyć w odniesieniu do rzeczywistych warunków przewodu pokarmowego człowieka.

Rodzaje przepływu płynów

Hydrodynamika układu często jest opisywana przez rodzaj przepływu płynu. Wyróżniamy prze- pływy: laminarny, przejściowy i burzliwy. Pierw- szy z nich charakteryzuje się równoległym ruchem warstewek płynu, bez poprzecznego transportu masy i turbulencji. Zazwyczaj występuje on dla małych wartości prędkości płynu, jednak jest to

również zależne od jego lepkości i gęstości, a także przeszkód na drodze płynu. Podczas przepływu laminarnego ruch masy pomiędzy warstewkami płynu odbywa się jedynie na drodze dyfuzji i jest to raczej powolne przemieszczanie. Obok ruchu laminarnego wyróżniamy przepływ burzliwy (turbulentny) o zgoła innej charakterystyce. Jest to ruch skomplikowany, o licznych fluktuacjach, wirach i silnym przemieszaniu, toteż wymiana masy zachodzi w nim nie tylko na drodze dyfuzji, ale przede wszystkim konwekcji i jest ona dużo bardziej intensywna niż dla ruchu laminarnego.

Przepływ przejściowy jest to przepływ o cechach pośrednich między laminarnym i turbulentnym, gdyż granice między tymi rodzajami przepływów nie są sztywno ustalone. Kryterium definiującym rodzaj przepływu jest bezwymiarowa liczba Rey- noldsa, opisana równaniem:

Re = ηwLρ

gdzie: w – prędkość przepływu płynu [m/s], L – wymiar charakterystyczny układu, np. śred- nica rurociągu w [m], ρ – gęstość płynu [kg/m³], η – lepkość dynamiczna płynu [Pa·s].

Warunki panujące w przewodzie pokarmowym człowieka

Przewód pokarmowy człowieka jest skompliko- wanym układem ukształtowanym w celu wchło- nięcia jak największej ilości składników odżyw- czych, przy jednoczesnym powstrzymaniu toksyn i patogenów przed wniknięciem do organizmu.

Składa się on z kilku fragmentów o specyficznych zadaniach, wyróżniamy: jamę ustną wraz z prze- łykiem, żołądek, jelito cienkie i jelito grube. Każdy z tych fragmentów charakteryzuje się odmiennymi czynnikami natury fizykochemicznej i mechanicz- nej, a ich znajomość jest konieczna do prawidłowej symulacji przewodu pokarmowego in vitro. Ostat- nie lata przyniosły znaczny postęp w rozumieniu procesów zachodzących w przewodzie pokarmowym, głównie dzięki technologii doustnych kap- sułek zawierających czujniki pH, temperatury i naprężeń mechanicznych [12–14]. Dane pozy- skane z tych urządzeń pozwalają na śledzenie drogi tabletki w przewodzie pokarmowym i towarzyszą- cych jej naprężeń fizykochemicznych oraz mechanicznych, co jest niezastąpioną pomocą dla badaczy pracujących nad realistyczną symulacją przewodu pokarmowego.

Jama ustna

Jama ustna jest miejscem pierwszego kon- taktu doustnej postaci leku z przewodem pokarmowym człowieka. Jej głównym zadaniem jest

(3)

mechaniczne rozdrobnienie pokarmu (masty- kacja), zdobycie informacji na jego temat dzięki bodźcom zmysłowym, wstępne trawienie oraz przygotowanie do następnych etapów trawienia.

Większość z tych funkcji wiąże się z wymiesza- niem posiłku ze śliną, która zawiera enzym tra- wienny α-amylazę, katalizujący hydrolizę skrobi.

Siły wywołane ruchem szczęk są najsilniejszymi w przewodzie pokarmowym i osiągają wartości 100–700 N, zależnie od płci i wieku człowieka [15].

Parametry fizykochemiczne wewnątrz jamy ustnej są silnie zależne od przyjętego pokarmu, także można założyć, że pH i temperatura są takie same jak posiłku, natomiast w warunkach na czczo pH jest zbliżone do neutralnego i waha się pomiędzy 6,0–7,4 w zależności od ilości płytki nazębnej [3].

Właściwości te są kluczowe dla tabletek ulegają- cych rozpadowi w jamie ustnej, pastylek, drażetek i żeli itp. Większość leków ulega jednak rozpadowi w dalszych fragmentach przewodu pokarmowego, ich czas przebywania w jamie ustnej jest bardzo krótki i nie ma istotnego wpływu na proces dezintegracji i uwolnienia substancji aktywnej. Ze względu na fakt, że jedynie dla niektórych postaci leków parametry mechaniczne i fizykochemiczne jamy ustnej są znaczące, są dla nich konstruowane specjalne symulatory tych warunków, natomiast standardowe symulatory przewodu pokarmowego nie obejmują tego odcinka.

Żołądek

Zadaniem żołądka jest odbieranie i przechowy- wanie przyjętego pokarmu oraz regularna dystry- bucja odpowiednich jego porcji do dalszych frag- mentów przewodu pokarmowego. Następuje tu też rozpad niektórych leków i pokarmu, ich stery- lizacja oraz trawienie [16]. Jest to możliwe dzięki, występującym w tym organie, czynnikom mecha- nicznym, chemicznym, a nawet temperaturowym.

Żołądek jest układem silnie zmiennym, a parametry w jego wnętrzu są zależne od wielu bodź- ców, głównie od parametrów przyjętego pokarmu i reakcji organizmu. Naprężenia mechaniczne żołądka na czczo są generowane przez jego nastę- pujące cyklicznie skurcze będące elementem MMC (ang. migrating motor complex). Każdy cykl składa się z czterech faz: żołądek w fazie pierwszej cechuje się najmniejszą aktywnością, a jego mięśnie gładkie pozostają rozluźnione, faza ta trwa 45 do 60 minut.

Podczas drugiej fazy MMC, trwającej 30 minut, zaczynają się skurcze żołądka, wywołujące ciśnie- nie do 150 mbar [3], a ich częstotliwość zwiększa się w czasie; perystaltyka rozprzestrzenia się od żołądka i jest propagowana wzdłuż jelita cienkiego.

Następna faza, nazywana „frontem aktywności”, cechuje się największą intensywnością. Wystę- puje w niej kilka silnych skurczy żołądka, których

zadaniem jest usunięcie resztek pokarmu i zale- gającego płynu. Zazwyczaj to właśnie wtedy usu- wana jest z żołądka tabletka, która została przyjęta na czczo i nie uległa dezintegracji. Skurcze tej fazy potrafią wywołać ciśnienia rzędu 460−500 mbar, są to największe ciśnienia występujące w przewodzie pokarmowym i niejednokrotnie wywołują one rozpad tabletki [12, 13, 17]. Ostatnia faza MMC polega na wygaszeniu skurczy i płynnym przejściu do fazy pierwszej kolejnego cyklu [18]. Skurcze żołądka po posiłku rozchodzą się falami trzech typów: I, II i III.

Nakładają się na siebie, a ich zadaniem jest mieszanie i rozdrabnianie treści żołądka [11]. Procesy mechaniczne zachodzące w górnej części żołądka to delikatne mieszanie, a w dolnej intensywne ści- nanie i homogenizacja [16]. Ciśnienia osiągane dla tego typu skurczów są mniejsze niż dla opróż- niania żołądka na czczo i wynoszą 240 mbar [17].

W wyniku skurczy żołądka tabletka nie tylko ulega ciśnieniu, ale również przemieszcza się z pręd- kością 2–8 cm/s [3] lub też według innych badań do 18 cm/s [19]. W momencie wyrzutu tabletki z żołądka do dwunastnicy wynosi aż do 50 cm/s i jest to największa prędkość w całym przewodzie pokarmowym [20]. Szacuje się, że liczba Rey- noldsa w żołądku w warunkach po posiłku wynosi zazwyczaj 0,01–30, co w teorii odpowiada prze- pływowi laminarnemu [5]. W praktyce, z uwagi na niehomogeniczną konsystencję oraz nieciągłość fizjologicznego ruchu, przepływ treści pokarmo- wej nie ma charakteru uwarstwionego. Objętość żołądka na czczo wynosi 10–50 mL, a po posiłku od 0,1 do 4,0 L i więcej, w zależności od ilości posiłku i indywidualnej budowy ciała [3]. Szacuje się, że 50–70% tej objętości stanowią soki żołądkowe [21], które są wydzielane z prędkością 80–200 mL/h.

Czas przebywania natomiast jest silnie zależny od kaloryczności posiłku: węglowodany łatwe do strawienia opuszczają żołądek z szybkością 10 kcal/min, emulsje tłuszczowe 2–3 kcal/min, a woda 20 mL/min [16]. Czas opróżniania żołądka po wysokokalorycznym posiłku waha się pomię- dzy 4 a 8 h, niestrawiona tabletka potrafi zalegać 10–20 h [13], natomiast mediana czasu opróżnia- nia żołądka zawierającego jedynie tabletkę popitą wodą wynosi 0,5 h [14].

Dwunastnica i jelito cienkie

Zasadniczą funkcją jelita cienkiego jest wchłanianie składników odżywczych powsta- łych w wyniku trawienia pokarmu oraz dodatkowo produktów rozpadu tabletek. Przyswaja- nie to odbywa się na skutek dyfuzji, osmozy lub transportu aktywnego przez błonę komórkową do krwioobiegu lub tkanek. W przypadku substancji aktywnych trudno rozpuszczalnych, po osiągnię- ciu stanu nasyconego, wchłonięcie leku pozwala

(4)

na rozpuszczenie kolejnej frakcji i utrzymanie gradientu stężenia. Wchłanianie to kluczowy moment dla leków przyjmowanych doustnie, ponieważ jest warunkiem koniecznym trafienia API do miejsca działania, a jednocześnie jest to etap, na którym występują największe straty. Jelita są miękkim nie- jednolitym organem o zmiennej średnicy, złożo- nym z licznych skrętów i zagięć. W wyniku takiej budowy powstają niejednorodne przestrzenie (kie- szonki), w których przebywa płyn jelitowy. Obję- tości takich kieszonek w warunkach na czczo są bardzo zmienne i wynoszą pomiędzy 45 a 319 mL [22] lub do 250 mL według innych badaczy [23, 24], natomiast po posiłku 20–156 mL [22]. Ze względu na fakt, że tylko w pewnych obszarach jelita cienkiego znajduje się płyn, wykazano, że tabletka przebywająca w jelicie jedynie okresowo jest w kontakcie z cieczą, co może opóźniać uwolnie- nie substancji aktywnej [1]. Maksymalne ciśnienie panujące w jelicie cienkim w warunkach na czczo wynosi 103 ±65 mbar, a po posiłku 95 ±76 mbar [17] i wynika ono ze skurczów perystaltycznych odpowiedzialnych za przesuwanie pokarmu wzdłuż jelita. Warunki hydrodynamiczne panu- jące w jelicie cienkim są bardzo złożone i zależne od indywidualnych cech osobniczych. Wpływają na nie także wspomniane powyżej skurcze, które są zmienne w czasie, podobnie jak te w żołądku.

Sprawiają one, że treść jelit przesuwa się skokowo, z wydłużonymi okresami bezruchu oraz szyb- kimi, intensywnymi przesunięciami o szybkości nawet 50 cm/s [1]. Średnia prędkość przesuwania się pokarmu wzdłuż jelita cienkiego wynosi natomiast 0,07–10 cm/s [12]. Przepływ, średnica jelita i chropowatość powierzchni sprawiają, że możliwe jest określenie jedynie aproksymowanej średniej liczby Reynoldsa dla jelita. Przybliżając parametry płynu jelitowego właściwościami wody (lep- kość kinetyczna w 37°C) i uśrednionej średnicy jelita (3 cm) oraz przepływu 0,5–4,5 mL/min uzy- skuje się liczbę Reynoldsa w przedziale 0,5–4,5. Dla obserwowanych maksymalnych prędkości w jelicie cienkim liczba Re może zawierać się w maksy- malnym przedziale 35<Re<100–125. Jak już wspo- mniano są to jedynie wartości szacunkowe, gdyż poza indywidualnymi cechami przewodu pokarmowego każdego człowieka, warunki hydrodynamiczne zmieniają się także w zależności od ilo- ści i rodzaju przyjętego pokarmu, a ruch płynu jest niejednolity. Czasy przebywania w warunkach na czczo i po posiłku są porównywalne i wynoszą około 2,5–5 h [17].

Jelito grube

Główną rolą jelita grubego jest wchłania- nie wody, ale też fermentacja i przyswaja- nie najtrudniejszych do strawienia składników

pożywienia. Przejście z jelita cienkiego do grubego odbywa się przez zastawkę krętniczo-kątni- czą, która wywiera na tabletkę ciśnienie do około 300 mbar [12], natomiast w dalszych fragmentach jelita panują ciśnienia 140 ±75 mbar na czczo i 164 ±29 mbar [17] lub według innych badaczy 60

±35 mbar [13] po posiłku. Ciśnienia te są wywoły- wane skurczami podobnymi jak w żołądku i jelicie cienkim. W wyniku skurczów prędkości uzy- skiwane przez tabletki w jelicie grubym dochodzą do 12 cm/s [12]. Podobnie jak w jelicie cienkim, również w jelicie grubym tabletki oraz posiłek mieszczą się w kieszonkach o objętości 2–97 mL po posiłku i 1–44 mL na czczo [22]. Czas przebywania jest bardzo długi: dla tabletek przyjmowanych na czczo może wynosić od kilku do 24 h, a po posiłku 5–40 h i więcej według [17] i [14]. Jelito grube jest ostatnim fragmentem przewodu pokarmowego człowieka, a wszystkie niezaabsorbo- wane składniki pokarmu, ale również niewchło- nięte substancje aktywne leków są po przejściu przez nie wydalane.

Z przedstawionych powyżej danych wynika, że warunki panujące w przewodzie pokarmowym mogą być bardzo różnorodne, między innymi na skutek zmienności osobniczej. Symulacja labo- ratoryjna układu pokarmowego nie jest zatem zadaniem banalnym, gdyż wymaga zrozumie- nia i uwzględnienia bardzo wielu czynników, określenia ogólnych tendencji i warunków brze- gowych parametrów w taki sposób, aby wyniki badań uwalniania in vitro były jak najbardziej zbieżne z późniejszymi wynikami in vivo. Pierw- szym z nich jest standardowe badanie uwalniania dokładnie zdefiniowane przez Farmakopeę. Bada- nia prowadzone w zgodzie z Farmakopeą uznaje się za wiarygodne, co jest szczególnie istotne dla pro- cedury rejestracji leku. Dodatkowo są one ustan- daryzowane, powszechnie znane i obowiązujące i łatwe do odtworzenia w laboratorium, co daje w konsekwencji łatwość w porównywaniu wyni- ków. Z drugiej strony, wielu badaczy uważa, że metody farmakopealne nie oddają w pełni warun- ków rzeczywistych panujących w przewodzie pokarmowym człowieka, przez co wyniki uzyskane tymi standardowymi metodami często nie znajdują odniesienia w wynikach badań klinicznych czy badań biorównoważności. Ta rozbież- ność ma kluczowe znaczenie, ponieważ formula- cje nowych leków, które dają pozytywne wyniki w standardowych badaniach farmakopealnych, mogą zupełnie nie sprawdzić się w badaniach in vivo, narażając firmę farmaceutyczną na kosz- towne powtórzenie badań, natomiast pacjentów na niepotrzebne ryzyko. Jest to przyczyną, dla której od wielu lat naukowcy starają się poznać warunki mechaniczne, hydrodynamiczne oraz dyfuzyjne

(5)

panujące in vivo i jak najwierniej odtworzyć je w skali laboratoryjnej w postaci modeli przewodu pokarmowego człowieka.

Warunki fizykochemiczne mediów do uwalniania

Warunki fizykochemiczne farmakopealnych metod uwalniania są modelowane za pomocą pre- cyzyjnie zdefiniowanych mediów o odpowiedniej kwasowości i sile jonowej. Niestety roztwory te osiągają lepkość i gęstość bardzo zbliżoną do wła- ściwości wody, co zasadniczo różni się od para- metrów trawionego pożywienia. Należy pamię- tać, że im większa lepkość medium, tym większe są siły przenoszone na cząstki jedzenia czy postaci leku wewnątrz żołądka [25]. Na uwagę zasłu- guje również fakt, że treść żołądkową po posiłku można określić mianem płynu nienewtonow- skiego, a więc o nieliniowej funkcji naprężeń ści- nających od szybkości ścinania w pewnym zakre- sie tych szybkości, w przeciwieństwie do niemal idealnie newtonowskiej charakterystyki mediów farmakopealnych [26]. Różnice w tych właściwo- ściach medium są przyczyną, dla której naprę- żenia ścinające, działające na postać leku in vivo i mogące mieć kapitalne znaczenie dla szybkości uwalniania substancji aktywnej, nie są odpowied- nio uwzględniane podczas standardowych testów uwalniania [8, 25]. Rozwiązaniem tych niezgod- ności może być zastosowanie mediów biorówno- ważnych, np. FaSSIF, FaSSGF czy FeSSIF, których skład znacznie lepiej symuluje zawartość żołądka lub jelit, ale mimo to nie oddaje jej zmiennej charakterystyki lepkości oraz gęstości [26, 27]. Niektó- rzy badacze stosują pełne mleko o zmodyfikowa- nym pH jako alternatywne medium imitujące płyn żołądkowy po posiłku [28–30]. Zaletą tego rozwią- zania jest fakt, że jest to medium łatwo dostępne, a jednocześnie poprawnie symulujące warunki in vivo, łącznie z lepkością płynu. Wadą jest krótki czas stabilności modyfikowanego mleka. Do uzy- skania mediów o odpowiedniej lepkości stosuje się także HPMC w połączeniu z FaSSGF [27], zapropo- nowano również preparat żywieniowy Ensure Plus z lepkością dostosowaną przy użyciu pektyny [31].

Hydrodynamika testu uwalniania jest zdefinio- wana nie tylko dzięki medium, ale też przez sam aparat, w którym prowadzony jest eksperyment.

Powstało wiele prac na temat wpływu hydrodynamiki farmakopealnych aparatów do uwalniania na szybkość uwalniania substancji aktywnej z leku. Badano między innymi geometrię naczyń do uwalniania, miejsce poboru próbki czy szybkość obrotową mieszadła. Dalej przedstawiono wyniki badań najpopularniejszych aparatów do uwalniania, a więc: USP 1, USP 2 i USP 4.

Warunki hydrodynamiczne

najpopularniejszych farmakopealnych aparatów

Aparat koszyczkowy USP 1

Warunki hydrodynamiczne aparatu koszycz- kowego są zróżnicowane w różnych jego obszarach. Największe prędkości medium obserwuje się w pobliżu bocznych ścianek koszyczka, natomiast w jego wnętrzu, a także u góry i w pobliżu dna naczynia prędkości są znacznie mniejsze. Oznacza to, że cząstki formulacji, które w wyniku dezintegracji wydostały się z naczynia są pod wpływem znacząco różnych warunków hydrodynamicznych od cząstek pozostałych w koszyczku. Przeprowa- dzono badania, w wyniku których stwierdzono, że powierzchnia tabletki umieszczonej w koszyczku rozpuszcza się równomiernie z każdej strony, nie- zależnie od prędkości przepływu medium, co sugeruje homogeniczność warunków hydrodynamicznych wewnątrz koszyczka. Dodatkowo, dla obrotów koszyczka powyżej 100 rpm kontakt medium wewnątrz i poza koszyczkiem jest mocno ograniczony i wnętrze koszyczka można rozpatry- wać jako układ zamknięty [32]. Pokazano też, że podczas uwalniania dezintegrującej tabletki pred- nizonu, po jej rozpadzie, fragmenty tabletki opadły na dno naczynia do uwalniania, formując stożek pozostałościowy, który znacznie spowolnił proces rozpuszczania, co jest skutkiem małej intensyw- ności mieszania w tej części naczynia [33]. Dodat- kowo, prace Diebolda wykazały, że liniowa pręd- kość płynu jest w pewnym, aczkolwiek niedużym, stopniu wrażliwa na zmiany prędkości obrotowej mieszadła oraz objętości medium [32]. Liczba Rey- noldsa w rdzeniu płynu dla tego aparatu została określona doświadczalnie jako 231<Re<4541 [32], natomiast zgodnie z pracami Levicha przepływ turbulentny w aparatach do uwalniania obserwuje się już dla liczby Reynoldsa powyżej 1500 [34].

Aparat łopatkowy USP 2

Ruch medium w aparacie łopatkowym odbywa się po owalnych pętlach rozmieszczonych osiowo:

dwóch w górnej i dwóch w dolnej części naczynia i rozdzielonych obszarem przepływu promie- niowego i obrotowego wokół łopatek mieszadła.

Najmniej intensywny ruch płynu obserwuje się przy powierzchni naczynia, w pobliżu jego ścia- nek oraz na środku jego dna, pod mieszadłem.

Wynika stąd powszechnie znany fenomen tworzenia się stożka nierozpuszczonych fragmentów postaci leku na środku dna naczynia, podobnie jak w aparacie USP 1. Dodatkowo, dolna część naczynia charakteryzuje się najbardziej heterogenicz- nymi warunkami hydrodynamicznymi z silnie zmienną prędkością medium w różnych obszarach

(6)

dna, skutkując różnymi prędkościami rozpuszczania leku w zależności od jego położenia [35].

Przeprowadzono badania kinetyki rozpuszczania nierozpadającej się, kalibracyjnej tabletki kwasu salicylowego i wykazano, że dla małych prędkości mieszadła, powierzchnia tabletki rozpuszcza się nierównomiernie, a powyżej 200 obr/min ten efekt występuje w niedużym stopniu [33]. Pokazano też, że dla aparatu łopatkowego liniowa prędkość płynu jest bardzo wrażliwa na zmiany prędkości obrotowej mieszadła, zatem zmiana liczby obrotów bardzo silnie wpływa na warunki hydrodynamiczne układu [32]. Liczba Reynoldsa określana w rdzeniu płynu w aparacie łopatkowym zawiera się w przedziale od Re=2292 (dla 25 obr/min i 900 mL medium) do Re=31025 (200 obr/min i 500 mL medium), zatem powyżej wartości krytycznej Re=1500. Obliczono również liczbę Reynoldsa na powierzchni cząstki rozpuszczanej dla obrotów mieszadła 50 i 150 obr/min, zakładając, że medium do uwalniania jest woda w temperaturze 37°C. Dla cząstek o średnicy 236 mikrometrów uzyskano Re=25 (50 obr/min) i Re=90 (150 obr/min), natomiast utrzymuje się, że dla nieregularnych czą- stek Re>50 jest wystarczająca do przejścia z laminarnego do burzliwego przepływu wokół cząstki.

Dla cząstek o średnicy 3 mikrometrów uzyskano liczbę Re<1 [32]. Z przedstawionych danych wynika, że warunki hydrodynamiczne w aparacie łopatkowym odpowiadają przepływowi turbu- lentnemu, zwłaszcza przy większych prędkościach przepływu, toteż rozpuszczanie przebiega w nim głównie na drodze konwekcji wymuszonej [32].

Warunki te są niefizjologiczne, a zbyt duże naprę- żenia ścinające, powstałe na powierzchni postaci leku, mogą być odpowiedzialne za generowanie zawyżonych wyników uwalniania w porównaniu z tymi, uzyskanymi in vivo, zwłaszcza dla leków wrażliwych na erozję powierzchniową. Niektó- rzy badacze twierdzą, że hydrodynamika przewodu pokarmowego jest dobrze odzwierciedlona za pomocą aparatu typu USP 2, pracującego z pręd- kością obrotową łopatek o wartości 10 obr/min, a więc dużo mniejszej od prędkości powszechnie stosowanej w testach [36].

Aparat przepływowy USP 4

Aparat przepływowy wyróżnia się najbardziej homogenicznymi warunkami hydrodynamicznymi w objętości naczynia pośród farmakopealnych aparatów, ale mimo to nadal można w nim obserwować wiele lokalnych zaburzeń w uwar- stwieniu płynu. Jego charakterystyka jest zdomi- nowana przez sinusoidalny lub półsinusoidalny przepływ medium generowany przez pompy tło- kowe, a konsekwencją tej pulsacji jest również cykliczna zmiana grubości warstewki granicznej

i sił ścinających na powierzchni tabletki [35].

Podobnie, gdy rozpuszczany obiekt umieszczony jest w złożu szklanych kulek w dolnej części aparatu, wówczas obserwuje się największą szybkość rozpuszczania, prawdopodobnie z powodu drob- nego ruchu kulek, wywołanego pulsacją medium i zwiększającego erozję powierzchni. Wyka- zano także wpływ sposobu umieszczenia tabletki w naczyniu na szybkość jej rozpuszczania, aczkolwiek jest to raczej powiązane z powierzch- nią przekroju przepływu i jej wpływem na liczbę Reynoldsa [10, 33]. Ciekawy efekt zaobserwowano, badając w aparacie przepływowym rozpuszczanie substancji o dużej rozpuszczalności i masie cząsteczkowej. Przy bardzo małych pręd- kościach przepływu płynu, istotną rolę odgry- wają siły grawitacji, które działają na rozpusz- czoną substancję w kierunku przeciwnym do przepływu medium (konwekcja naturalna), ogra- niczając jej odprowadzanie z warstewki granicznej i spowalniając rozpuszczanie nawet mocniej, niż gdyby medium nie poruszało się wcale [37]. Dla komórki przepływowej o średnicy 12 mm i róż- nych natężeń przepływu obliczono liczbę Re od 16,3 (dla 10,4 mL/min) do 292 (dla 52,9 mL/min), co odpowiada laminarnemu ruchowi medium [10].

W porównaniu z innymi aparatami do uwalniania pokazano, że nawet dla dużych wartości natęże- nia przepływu medium do uwalniania w aparacie USP 4, tabletka rozpuszcza się mniej intensywnie niż w USP 1 i 2 [35].

Pomimo niewątpliwych zalet, jakimi są przede wszystkim prostota przeprowadzenia testu oraz powszechność, farmakopealne aparaty do uwalniania spotykają się z liczną krytyką. Najpoważ- niejszy zarzut dotyczy tego, że nieodpowied- nio symulują one rzeczywiste warunki panujące w przewodzie pokarmowym, a w szczególności hydrodynamikę i naprężenia mechaniczne. Liczby Reynoldsa opisujące przepływ wewnątrz apara- tów są znacznie większe niż te w odpowiednich fragmentach przewodu pokarmowego, co wska- zuje na odmienną charakterystykę przepływu.

Testy te nie uwzględniają naprężeń działających na postać leku, a wynikających z ruchów perystaltycznych oraz ciśnień wywoływanych przez odźwiernik i zastawkę krętniczo-kątniczą, natomiast lepkość farmakopealnych mediów odbiega od lepkości treści żołądkowo-jelitowej w warunkach po posiłku, co skutkuje niefizjologicznym prze- noszeniem naprężeń ścinających i zgniatających.

W rezultacie, często zdarza się, że wyniki badań uwalniania przeprowadzonych na tych aparatach nie mają odzwierciedlenia w rzeczywistym uwal- nianiu leku in vivo, co jest nie do zaakceptowa- nia z punktu widzenia realizacji projektu tworzenia nowego leku innowacyjnego lub generycznego.

(7)

Jest to przyczyna, dla której konstruuje się nowe modele, które bardziej realistycznie symulują pracę przewodu pokarmowego, a zwłaszcza wspomniane siły i naprężenia powiązane z hydrodynamiką przepływu. Dalej przedstawiono wybrane aparaty tej kategorii modeli.

Niefarmakopealne modele

przewodu pokarmowego człowieka

The TNO Gastro-Intestinal Model (TIM) TIM firmy TNO Pharma jest to wieloelementowy model fragmentu przewodu pokarmowego czło- wieka. Składa się on z kilku komór odpowiadają- cych poszczególnym organom, a w każdej z nich symulowane są warunki in vivo za pomocą takich parametrów jak: czas przebywania, szybkość prze- pływu, gradient pH, absorpcja wody i metaboli- tów, temperatura i wydzielanie płynów (enzymów trawiennych, żółci itp.). Modelu TIM można uży- wać nie tylko do badań leków, ale również pasz i pożywienia, a wynikiem takiej ekspertyzy jest

profil biodostępności biologicznej danego związku chemicznego. Działanie TIM jest programowane na podstawie protokołów badawczych o szerokim spektrum, symulujących warunki w przewodzie pokarmowym niemowlaków, osób młodych, doj- rzałych i starszych, zarówno zdrowych, jak i z cho- robami przewodu pokarmowego, ale też psów, świń oraz cielaków.

Istnieje kilka wariantów modelu, obejmują- cych poszczególne wycinki przewodu pokarmowego. Wariant TIM-1 składa się z czterech komór, reprezentujących: żołądek, dwunastnicę, jelito czcze i jelito kręte, a przepływ między nimi reali- zowany jest za pomocą pomp perystaltycznych.

Dodatkowo komory te wyposażone są w elastyczne ściany, podlegające zmiennemu ciśnieniu w celu wymieszania zawartości. Prowadzona jest regu- lacja pH za pomocą kwasu solnego oraz wodo- rowęglanu sodu, zgodnie z założonym przebie- giem. Dostarczane są także płyny, symulujące wydzielinę żołądkową i jelitową. Imitację absorpcji realizuje się za pomocą membran – dla związ- ków hydrofilowych, oraz filtrów – dla związków lipofilowych. Wątpliwości budzi jednak położe- nie modułów absorpcyjnych – są one umieszczone na końcach komór symulujących jelito cienkie, zamiast wzdłuż całej ich długości, co uniemożli- wia właściwą ocenę skuteczności leków o wąskim oknie absorpcyjnym [38].

Firma TNO Pharma w swojej ofercie posiada modele: Tiny-TIM oraz TIM-agc. Pierwszy z nich jest uproszczoną wersją TIM-1, z identyczną komorą żołądkową, ale z modelem jelit okrojonym do jednej komory. Natomiast drugi model Advan- ced Gastric Compartment, wyróżnia się ze względu na bardziej realistyczną budowę modułu żołądka, który dodatkowo symuluje perystaltykę tego organu [39]. Przeprowadzono badania porównaw- cze TIM-agc z aparatem USP 2 pod kątem hydrodynamiki przepływu, stosując narzędzia CFD. Ich wyniki potwierdziły biorównoważność naprężeń ścinających oraz liczb Reynoldsa w różnych komo- rach aparatu TIM-agc oraz, po raz kolejny, wyka- zały zawyżone Re aparatu USP 2 w stosunku do warunków in vivo [40]. Okazały wachlarz możli- wości TIM dokładnej predykcji trawienia i wchła- niania leków daje mu szerokie zastosowanie i jest jego największą zaletą. Z drugiej strony, złożoność tego systemu sprawia, że operator TIM musi być wysokiej klasy specjalistą o bardzo specyficznych kwalifikacjach, przygotowanie eksperymentu jest pracochłonne, serwis wykonuje jedynie produ- cent urządzenia, sam symulator jest bardzo drogi, a w dodatku licencjonowany jedynie dla dużych firm farmaceutycznych. Istnieje możliwość zle- cenia firmie TNO Pharma przeprowadzenia badań na modelu TIM.

Rycina 1. Schemat symulatora TIM. 1-moduł żołądka, 2-moduł dwunastnicy, 3-moduł jelita czczego, 4-moduł jelita krętego, 5-moduły filtracyjne, 6-wylot, S-wydzielanie. Źródło: własne opracowanie.

Figure 1. Schematic presentation of TIM simulator. 1-gastric

compartment, 2-duodenal compartment, 3-jejunal compartment, 4-ileal compartment, 5-filtration systems, 6-orifice, S-secretion. Source: own drawing.

(8)

Dynamic Gastric Model

Dynamic Gastric Model (DGM) to model stwo- rzony na Institute of Food Research (Norwich, Wielka Brytania), symulujący pracę żołądka dla badania wpływu obecności pożywienia w przewodzie pokarmowym na rozpad i rozpuszczanie leków oraz ich profil uwalniania. Konstrukcja tego urządzenia w szczególności uwzględnia symulację cyklów skurczów żołądka i występujących podczas nich naprężeń mechanicznych. Omawiany symulator składa się z dwóch części: otwartego do atmosfery, termostatowanego zbiornika wyposażonego w system doprowadzający imitację soku żołądko- wego (perforowana pętla z tworzywa sztucznego) oraz cylindra z tłokiem zapewniającym mieszanie badanej zawartości i naśladowanie ruchów perystaltycznych żołądka. Również dla tego symulatora przeprowadzono badania porównawcze szyb- kości ścinania i sił ścinających z aparatem USP 2.

W rezultacie ustalono, że medium umieszczone w USP 2 jest poddawane małym siłom ścinania, pomimo dużej szybkości ścinania. Odwrotną rela- cję zaobserwowano w aparacie DGM, gdzie siły ści- nające były duże, ale przenoszone z małą szybko- ścią, co zaobserwowano także in vivo i świadczy o poprawności modelu, chociaż dokładna korela- cja IVIVC cechowała się małym współczynnikiem determinacji [25]. Dodatkowo, model DGM daje możliwość ustalenia biorównoważnej temperatury i pH, czasu opróżniania żołądka oraz przeprowadzania symulacji wpływu całodniowej sekwencji posiłku na postać leku, co jest szczególnie istotne dla leków o długim czasie przebywania w żołądku [41]. Wadami tej konstrukcji jest natomiast brak przezroczystości, co utrudnia prowadzenie obser- wacji i otwarcie do atmosfery (niebezpieczne dla operatora testów, np. leków cytostatycznych) [16].

Modele laboratoryjne

Istnieje też szereg modeli przewodu pokarmowego, które zostały opracowane jedynie na skalę laboratoryjną i służą głównie celom naukowym.

Cechują się one bardzo często wiernym odwzoro- waniem wybranego aspektu, natomiast zazwyczaj nie reprezentują podejścia całościowego do pro- blemu uwalniania leku w przewodzie pokarmowym, a różnorodność testów, jakie można na nich przeprowadzić, jest niewielka.

Gastric Flow Simulator

Gastric Flow Simulator jest aparatem szczególnie nastawionym na imitację perystaltyki żołądka i fal MMC. Składa się on z podłużnego naczynia, którego dwie ściany są utworzone z elastycznej gumy, a dwie pozostałe z przezroczystego PMMA. Propagację fal MMC zasymulowano poprzez ruch i nacisk dwóch gumowych wałków na elastyczne ściany naczynia.

Modelu tego użyto do zbadania wpływu lepkości medium na jego prędkość poruszania się w wyniku symulowanych fal MMC. Uzyskane wyniki zaprze- czyły takiej korelacji, należy jednak zwrócić uwagę, że modelowy płyn miał reologię newtonowską, co stoi w sprzeczności z rzeczywistą charakterystyką reologiczną treści żołądka, a także jego lepkość była mniejsza od zawartości żołądka po posiłku. Auto- rzy badań wskazują, że ruch treści żołądka, wyni- kający z propagacji fal MMC może mieć charakter laminarny, przynajmniej dla przypadku trawienia płynnego pożywienia. Dodatkowo zwracają uwagę na to, że same siły tnące, wynikające z ruchu płynu pod wpływem fal MMC, mogą być niewystarczające do dezintegracji cząstek jedzenia, prawdopodobnie dlatego dużą rolę w tym procesie odgrywa kom- presja treści żołądka pod własnym ciężarem oraz wzajemne oddziaływania cząstek pożywienia na skutek ruchów perystaltycznych ścian żołądka [42].

Rycina 2. Schemat symulatora Dynamic Gastric Model.

1-główny moduł żołądka, 2-łaźnia wodna z regulacją ciśnienia, 3-wylot, 4-moduł odźwiernika, S-wydzielanie.

Źródło: własne opracowanie.

Figure 2. Schematic representation of Dynamic Gastric Model. 1- main gastric compartment, 2-pressurized water jacket, 3-orifice, 4-antral compartment, S-secretion. Source: own drawing.

Rycina 3. Schemat Gastric Flow Simulator. 1-główny moduł żołądka, 2-gumowe wałki. Źródło: własne opracowanie.

Figure 3. Schematic representation of Gastric Flow Simulator. 1-gastric compartment, 2-plastic roller. Source: own drawing.

(9)

Stress Test

Idea, jaka stoi za konstrukcją aparatu Stress Test, wiąże się z wynikami badań ruchu treści jelit. Celem budowy tego modelu była symulacja cyklicznych skurczów, działających na tabletkę, oraz okresów, w których postać leku nie ma kon- taktu z płynem jelitowym. Stress Test składa się z zestawów metalowych koszyczków na postać leku oraz umieszczonych w nich baloników okresowo

napełnianych gazem i wywierających nacisk na tabletkę. Koszyczki te umieszczone są na wolno obracającym się wale umieszczonym nad typowym naczyniem do uwalniania, farmakopealnego aparatu do uwalniania typu USP 1 lub 2. Obrót wału skutkuje zatem chwilowym wyjęciem koszyczka wraz z lekiem ponad powierzchnię płynu do uwalniania, co symuluje rzeczywiste warunki w jelicie.

Naczynie do uwalniania wyposażone jest również w mieszadło łopatkowe i łaźnię wodną do utrzyma- nia stałej temperatury medium. Cechą Stress Test kwestionowaną przez niektórych badaczy jest to, że mieszadło łopatkowe nie jest umieszczone w osi zbiornika do uwalniania, tak jak w standardowych aparatach do uwalniania, a jedynie przy jego kra- wędzi. To poddaje w wątpliwość stabilność i odpo- wiedniość warunków hydrodynamicznych panują- cych w medium do uwalniania. Dodatkowo postać leku umieszczona jest w górnej części naczynia, a więc odwrotnie niż w farmakopealnych testach.

Mimo to, skuteczność Stress Test do predykcji wyników uwalniania leku została potwierdzona na przykładzie tabletek o przedłużonym uwalnianiu z diklofenakiem [1]. Badania uwalniania przepro- wadzone w Stress Test wykazały bardzo podobne profile uwalniania leku do tych uzyskanych in vivo w badaniach klinicznych, co było dotychczas nie- osiągalne w standardowych aparatach oraz pozwo- liło na wyjaśnienie mechanizmu tego uwalniania. Jest to znaczące osiągnięcie, które dowodzi poprawności i biorównoważności modelu [1, 38].

IMSPA

Model IMSPA symuluje perystaltykę jelita cienkiego i tym samym pozwala na badanie wpływu skurczy jelit na postać leku i uwalnianie substancji aktywnej. Składa się on z dwóch elastycznych, silikonowych rękawów, a każdy z nich wyposa- żony jest w cztery mechanizmy ściskające wyko- nane z przysłon fotograficznych, które powodują chwilowe zmniejszenie średnicy i generują zgniot tabletki. Dodatkowo częstotliwość i intensywność tych skurczy może być programowana tak, aby odzwierciedlać różne fazy wędrującego kompleksu motorycznego MMC. Niestety model IMSPA nie jest wyposażony w system kontroli i regulacji pH, nie symuluje również wydzielania enzymów trawiennych. Próbkowanie jest dostępne jedynie w try- bie manualnym, a maksymalna dostępna objętość medium do uwalniania to 250 mL, co może stwarzać trudności dla słabo rozpuszczalnych leków [43].

Advanced Gastric Simulator

Advanced Gastric Simulator jest jednym z naj- nowszych symulatorów żołądka, składającym się z elastycznego, wielowarstwowego, silikonowego zbiornika, wyposażonego w mechanizm ściskający Rycina 4. Schemat symulatora Stress Test. 1-farmakopealne naczynie

do uwalniania, 2-balonik pompowany sprężonym powietrzem, 3-perforowany metalowy koszyczek, 4-mieszadło łopatkowe, 5-silnik obracający koszyczek ponad powierzchnię medium. Źródło: własne opracowanie.

Figure 4. Schematic representation of Stress Test simulator.

1-pharmacopoeial dissolution vessel, 2-baloon pumped with compressed air, 3-perforated metal basket, 4-paddle stirrer, 5-basket rotating stepping motor. Source: own drawing.

Rycina 5. Schemat symulatora IMSPA. 1-wylot, 2-główny moduł jelita, 3-mechanizm ściskający, 4-wlot oraz miejsce próbkowania. Źródło:

własne opracowanie.

Figure 5. Schematic representation of IMSPA simulator. 1-orifice, 2-main intestine compartment, 3-constriction mechanism, 4-inlet and sampling point. Source: own drawing.

(10)

wykonany, podobnie jak w modelu IMSPA, z ośmiu przysłon fotograficznych [44]. Zacisk przysłon jest programowany tak, aby jak najwierniej odzwier- ciedlić motorykę żołądka w różnych warunkach.

Dodatkowo, u końca zbiornika wbudowany jest spe- cjalny zawór, mający imitować odźwiernik i kontro- lujący odprowadzanie materiału badawczego z wnę- trza zbiornika. Całość aparatu umieszczona jest w komorze, utrzymującej stałą temperaturę 37°C.

Działanie Advanced Gastric Simulator zademonstro- wano, badając jego zdolność do rozróżniania czterech formulacji w porównaniu z aparatem USP 2 oraz badaniami in vivo. Omawiany symulator żołądka z dużą dokładnością przewidział zachowanie leku in vivo w przeciwieństwie do aparatu farmakopealnego [45]. Zaletami tego urządzenia jest wierne odwzoro- wanie geometrii ludzkiego żołądka oraz skurczów jego ścian, a także możliwość zaprogramowania przepływu medium w układzie, co zostało potwier- dzone badaniami uwalniania leku, natomiast nie uwzględnia on gradientu pH, a także wydzielania enzymów trawiennych, które to mogą być istotne dla uwalniania substancji aktywnej z postaci leku.

Engineered Stomach and Small Intestinal System

System ESIN jest wielokomorowym dynamicz- nym modelem górnego odcinka przewodu pokarmowego. Składa się kolejno: ze zbiornika na próbkę pożywienia lub leku, komory, w której następuje wymieszanie próbki ze sztuczną śliną, komory żołądka, utworzonego z cylindra z dwoma tło- kami, zapewniającymi naprężenia mechaniczne i przemieszanie zawartości, oraz wyposażonego w czujnik ciśnienia. Następne elementy to trzy, szeregowo połączone, zbiorniki reprezentujące kolejne odcinki jelita cienkiego oraz komora koń- cowa, przeznaczona do zbierania całkowitej zawar- tości układu. Dodatkowo, układ wyposażony jest w pompy dozujące roztwory fizjologiczne, imi- tujące wydzieliny przewodu pokarmowego, oraz systemy dializy, mające na celu symulację absorpcji leku, jaka zachodzi w jelicie cienkim. Poszcze- gólne elementy ESIN są termostatowane, a prze- pływy, pH, skurcze „żołądka” oraz ilość wydzielin są kontrolowane komputerowo. Poprawność dys- kutowanego modelu była sprawdzona przez badania porównawcze uwalniania paracetamolu i teo- filiny w układzie ESIN, aparacie USP 2 oraz in vivo. Wyniki pokazały zgodność przebiegu krzy- wej uwalniania paracetamolu w ESIN oraz in vivo, natomiast pomiędzy uzyskanymi krzywymi zaobserwowano przesunięcie czasowe. Podob- nie w przypadku teofiliny wystąpiło przesunię- cie krzywych o około godzinę. Tę niedokładność tłumaczy się brakiem obecności modułu absorpcji w komorze symulującej dwunastnicę modelu ESIN.

Zaletami ESIN jest dosyć dokładne odwzorowa- nie przewodu pokarmowego i zachęcające wyniki badań porównawczych in vitro – in vivo, nato- miast do wad należy skomplikowana budowa, duża liczba pomp i mieszadeł oraz trudności w poborze próbek z poszczególnych fragmentów układu [46].

Podsumowanie

Badania uwalniania substancji aktywnej są koniecznym etapem tworzenia nowych leków innowacyjnych i generycznych oraz są rutynowym zabiegiem dla kontroli jakości produkowanych już leków. O ile w przypadku kontroli jakości nie jest to tak istotne, tak dla nowych leków oraz zmian tech- nologicznych w produkcji już istniejących formulacji kluczowa jest odpowiednia symulacja warunków panujących w przewodzie pokarmowym w skali laboratoryjnej. Pozwala to bowiem na predykcję zachowania się leku w badaniach klinicznych i tym samym na podjęcie działań w przypadku wykrycia nieskutecznego działania badanej formulacji. Do przeprowadzania badań uwalniania stosuje się farmakopealne aparaty oraz niestandardowe modele przewodu pokarmowego. Jedną z istotnych różnic pomiędzy takimi modelami są różnice w hydro- dynamice przepływu wokół badanej postaci leku i naprężenia mechaniczne na nią działające. Oma- wiane siły i uwarunkowania są szczególnie ważne w przypadku formulacji wrażliwych na ścieranie Rycina 6. Schemat symulatora AGS. 1-główny moduł żołądka, 2-mechanizm ściskający, 3-wylot, 4-termostatowana komora. Źródło:

własne opracowanie.

Figure 6. Schematic representation of AGS. 1-main gastric compartment, 2-constriction mechanism, 3-orifice, 4-temperature-controlled chamber. Source: own drawing.

(11)

i zgniatanie oraz trudno rozpuszczalnych substancji aktywnych. Liczne teorie procesu rozpuszczania wykazały istotny wpływ hydrodynamiki na szybkość tego zjawiska, co tłumaczy się istnieniem dyfuzyjnej i dynamicznej warstewki granicznej na rozpuszczanej powierzchni, ponieważ grubość tych warstewek, zależna od hydrodynamiki, bezpośred- nio wpływa na współczynnik wnikania masy. Oma- wiane siły i uwarunkowania są szczególnie ważne w przypadku formulacji wrażliwych na ścieranie i zgniatanie oraz trudno rozpuszczalnych substancji aktywnych. W dziedzinie rozwoju biorównoważ- nych metod badawczych procesu uwalniania pozo- stało jeszcze wiele do zrobienia. Poszukuje się takich rozwiązań, które byłyby proste do zastosowania,

a jednocześnie poprawnie odzwierciedlały wiele aspektów przewodu pokarmowego tak, aby z łatwo- ścią można było znajdować słabe strony różnych formulacji. Pozwoli to w przyszłości na zmniejszenie liczby przeprowadzanych badań klinicznych i poprawę bio-farmaceutycznych właściwo- ści postaci leku, co przyniesie korzyści zarówno firmom farmaceutycznym, jak i pacjentom.

Podziękowania

Badania były prowadzone we współpracy z Physiolution Polska w ramach programu InnoNeuroPharm POIR.01.02.00-00-0011/17 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Rycina 7. Schemat symulatora ESIN. 1-zbiornik wlotu, 2-mieszadło łopatkowe, 3-zbiornik mieszania ze sztuczną śliną, 4-moduł żołądka, 5-moduł dwunastnicy, 6-moduł jelita czczego, 7-moduł jelita krętego, 8-wylot, F-moduły filtracyjne, S-wydzielanie.

Źródło: własne opracowanie.

Figure 7. Schematic representation of ESIN. 1-meal reservoir, 2-paddle stirrer, 3-salivary ampoule, 4-gastric compartment, 5-duodenal compartment, 6-jejunal compartment, 7-ileal compartment 8-orifice, F-filtration modules, S-secretion. Source: own drawing.

(12)

Piśmiennictwo

1. Garbacz G, Wedemeyer RS, Nagel S, Giessmann T, Monnikes H, Wil- son CG, et al. Irregular absorption profiles observed from diclofenac extended release tablets can be predicted using a dissolution test apparatus that mimics in vivo physical stresses. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2008; 70: 421–428.

2. Garbacz G. Investigation of dissolution behavior of diclofenac sodium extended release formulations under standard and biorelevant test condi- tions. Drug Development & Industrial Pharmacy 2010; 36(5): 518–530.

3. Koziolek M, Garbacz G, Neumann M. Simulating the Postprandial Stomach: Physiological Considerations for Dissolution and Release Testing. Molecular pharmaceutics 2013; 10: 1610–1622.

4. Laulicht B, Tripathi A, Schlageter V, Kucera P, Mathiowitz E. Under- standing gastric forces calculated from high-resolution pill tracking.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Sta- tes of Americ 2010; 107: 8201–8206.

5. Abrahamsson A, Pal M, Sjoberg M, Carlsson E, Laurell JGB. A Novel in Vitro and Numerical Analysis of Shear-Induced Drug Release from Extended-Release Tablets in the Fed Stomach. Pharmaceutical Rese- arch 2005; 22(8): 1215–1226.

6. Sugano K. Aqueous Boundary Layers Related to Oral Absorption of a Drug: From Dissolution of a Drug to Carrier Mediated Transport and Intestinal Wall Metabolism. Molecular Pharmacy 2010; 7(5): 1362–1373.

7. Wu Y, Ghaly ES. Effect of Hydrodynamic Environment on Tablet Dis- solution Using Flow-Through Dissolution Apparatus. Puerto Rico Health Sciences Journal 2006; 25: 75–83.

8. Wang Y, Brasseur JG. Enhancement of mass transfer from particles by local shear-rate and correlations with application to drug dissolution.

American Institute of Chemical Engineers Journal 2019; 65: 1–14.

9. Kasperek R, Zimmer L, Poleszak E. The Process Of Mass Transfer On The Solid-Liquid Boundary Layer During The Release Of Diclofe- nac Sodium And Papaverine Hydrochloride From Tablets In A Pad- dle Apparatus. Acta Poloniae Pharmaceutica 2016; 73: 163–173.

10. Cammarn SR, Sakr A. Predicting Dissolution via Hydrodynamics:

Salicylic Acid Tablets in Flow Through Cell Dissolution. Internatio- nal Journal of Pharmaceutics 2000; 201: 199–209.

11. Ferrua MJ, Singh RP. Modeling the Fluid Dynamics in a Human Sto- mach to Gain Insight of Food Digestion. Journal of Food Science 2010; 75: 151–162.

12. Garbacz G, Klein S. Dissolution testing of oral modified-release dosage forms. Journal of Pharmacy and Pharmacology 2011; 64:

944–968.

13. Koziolek M, Schneider F, Grimm M, Modess C, Seekamp A, Roustom T, et al. Intragastric pH and pressure profiles after intake of the high- -caloric, high-fat meal as used for food effect studies. Journal of Con- trolled Release 2015; 220: 71–78.

14. Koziolek M, Grimm M, Becker D. Investigation of pH and Temperature Profiles in the GI Tract of Fasted Human Subjects Using the Intellicap System. Pharmaceutics, Drug Delivery and Pharmaceutical Tech- nology 2014; 104: 2855–2863.

15. Miura H, Watanabe S, Isogai E, Miura K. Comparison of maximum bite force and dentate status between healthy and frail elderly per- sons. Journal of Oral Rehabilitation 2001; 28(6): 592–595.

16. Wickham MSJ, Faulks RM, Mann J, Mandalari G. The Design, Opera- tion, and Application of a Dynamic Gastric Model. Dissolution tech- nologies 2012; 19(3): 15–22.

17. Schneider F, Grimm M, Koziolek M, Modess C, Dokter A, Roustom T, et al. Resolving the physiological conditions in bioavailability and bioequivalence studies: Comparison of fasted and fed state. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2016; 108: 214–219.

18. Boron WF, Boulpaep EL. Medical physiology: a cellular and molecular approach. Filadelfia: Elsevier Saunders; 2012.

19. Goodman K, Hodges LA, Band J, Stevens HNE, Weitschies W, Wilson CG. Assessing gastrointestinal motility and disintegration profiles of magnetic tablets by a novel magnetic imaging device and gamma scintigraphy. European Journal of Pharmaceutics and Biopharma- ceutics 2010; 74(1): 84–92.

20. Weitschies W, Cardini D, Karaus M, Trahms L, Semmler W. Magne- tic marker monitoring of esophageal, gastric and duodenal transit of non-disintegrating capsules. Pharmazie 1999; 54: 426–430.

21. Sauter MM, Steingoetter A, Curcic J, Treier R, Kuyumcu S, Fried M, et al. Quantification of Meal Induced Gastric Secretion and Its Effect on Caloric Emptying by Magnetic Resonance Imaging (MRI). Gastro- enterology 2011; 140: 297.

22. Schiller C, Fröhlich CP, Giessmann T, Siegmund W, Mönnikes H, Hosten N, et al. Intestinal fluid volumes and transit of dosage forms as assessed by magnetic resonance imaging. Alimentary Pharmaco- logy & Therapeutics 2005; 22: 971–979.

23. Marciani L, Cox EF, Hoad CL, Pritchard S, Totman JJ, Foley S, et al.

Postprandial changes in small bowel water content in healthy sub- jects and patients with irritable bowel syndrome. Gastroenterology 2010; 138(2): 469–477.

24. Mudie DM, Murray K, Hoad CL, Pritchard SE, Garnett M, Amidon GL, et al. Quantification of gastrointestinal liquid volumes and distribu- tion following a 240 mL dose of water in the fasted state. Molecular Pharmaceutics 2014; 11(9): 3039–3047.

25. Vardakou M, Mercuri A, Barker SA, Craig DQM, Faulks RM, Wic- kham MSJ. Achieving Antral Grinding Forces in Biorelevant In Vitro Models: Comparing the USP Dissolution Apparatus II and the Dyna- mic Gastric Model with Human In Vivo Data. Journal of the Ameri- can Association of Pharmaceutical Scientists 2011; 12: 620–626.

26. Pedersen PB, Vilmann P, Bar-Shalom D, Mullertz A, Baldursdottir S.

Characterization of fasted human gastric fluid for relevant rheolo- gical parameters and gastric lipase activities. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2013; 85: 958–965.

27. Nielsen AL, Pedersen PB, Baldursdottir S, Mulertz A. Impact of physio- logically relevant viscosity on intrinsic dissolution rate of poorly soluble compounds in simulated gastric media; pobrane z: https://pdfs.seman- ticscholar.org/553e/ecb9ba1be0c0db4b99bb8b2778731e63f356.pdf (dostęp 21.04.2020).

28. Jantratid E, Janssen N, Reppas C, Dressman JB. Dissolution Media Simulating Conditions in the Proximal Human Gastrointestinal Tract:

An Update. Pharmaceutical Research 2008; 25: 1663–1676.

29. Devle H, Naess-Andresen CF, Rukke EO, Vegarud GE, Ekeberg D, Schuller RB. Rheological characterization of milk during digestion with human gastric and duodenal enzymes. Annual Transactions Of The Nordic Rheology Society 2012; 20.

30. Galia E, Nicolaides E, Horter D, Lobenberg R, Reppas C, Dressman JB.

Evaluation of Various Dissolution Media for Predicting In Vivo Per- formance of Class I and II Drugs. Pharmaceutical Research 1998; 15:

698–705.

31. Klein S, Butler J, Hempenstall JM, Reppas C, Dressman JB. PIV and CFD studies on analyzing intragastric flow phenomena induced by peristalsis using a human gastric flow simulator. Food & Function 2014; 5: 1839–1847.

32. Diebold SM. Physiological parameters relevant to dissolution testing:

hydrodynamic considerations w Pharmaceutical Dissolution Testing.

Dordrecht: Springer International Publishing AG Switzerland; 2005.

33. Morihara M, Aoyagi N, Kaniwa N, Katori N, Kojim S. Hydrodynamic Flows Around Tablets in Different Pharmacopeial Dissolution Tests.

Drug Development and Industrial Pharmacy 2002; 28(6): 655–662.

34. Levich VG. Physicochemical Hydrodynamics. Nowy Jork: Prentice Hall; 1962.

35. Todaro V, Persoons T, Grove G, Healy AM, D’Arcy DM. Characteri- zation and Simulation of Hydrodynamics in the Paddle, Basket and Flow-Through Dissolution Testing Apparatuses – A Review. Disso- lution Technologies 2017; p. 24–36.

36. Katori N, Aoyagi N, Terao T. Estimation of Agitation Intensity in the GI Tract in Human and Dog Based on In Vitro/In Vivo Correlation.

Pharmaceutical Research. 1995; 12: 237–243.

37. D’Arcy DM, Liu B, Corrigan OI. Investigating the effect of solubility and density gradients on local hydrodynamics and drug dissolution in the USP 4 dissolution apparatus. International Journal of Phar- maceutics 2011; 419: 175–185.

38. McAllister M. Dynamic Dissolution: A Step Closer to Predictive Dis- solution Testing? Molecular Pharmaceutics 2010; 7(5): 1374–1387.

39. Minekus M. The TNO Gastro-Intestinal Model (TIM) In: Verhoeckx K, Cotter P, López-Expósito I, et al., editors. The Impact of Food Bioacti- ves on Health: in vitro and ex vivo models. Cham (CH): Springer; 2015.

40. Hopgood M, Reynolds G, Barker R. Using Computational Fluid Dyna- mics to Compare Shear Rate and Turbulence in the TIM-Automated Gastric Compartment With USP Apparatus II. Journal of Pharma- ceutical Sciences 2018; 107: 1911–1919.

41. Thuenemann EC, Mandalari G, Rich GT, Faulks RM. Dynamic Gastric Model (DGM), w The Impact of Food Bio-Actives on Gut Health.

Dordrecht: Springer International Publishing AG Switzerland; 2015.

42. Kozu H, Kobayashi I, Neves MA, Nakajima M, Uemura K, Sato S, et al. PIV and CFD studies on analyzing intragastric flow phenomena induced by peristalsis using a human gastric flow simulator. Food &

Function 2014; 5: 1839–1847.

43. Hribar M, Trontelj J, Klancar U, Markun B, Dujc TC, Legen I. A Novel Intestine Model Apparatus for Drug Dissolution Capable of Simula- ting the Peristaltic Action. American Association of Pharmaceuti- cal Scientists 2016; 18(5): 1646–1656.

44. Hribar M, Trontelj J, Berglez S, Bevc A, Kuscer L, Diaci J, et al. Design of an Innovative Advanced Gastric Simulator. Dissolution Techno- logies 2019; p. 20–29.

45. Vrbanac H, Trontelj J, Berglez S, Petek B, Opara J, Jereb R, et al. The biorelevant simulation of gastric emptying and its impact on model drug dissolution and absorption kinetics. European Journal of Phar- maceutics and Biopharmaceutics 2020; 149: 113–120.

46. Guerra A, Denis S, le Goff O, Sicardi V, Francois O, Yao AF, et al.

Development and Validation of a New Dynamic Computer-Control- led Model of the Human Stomach and Small Intestine. Biotechnology and Bioengineering 2016; 113(6): 1325–1335.